JP2021148692A - 熱式流量計および流量補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ特性の変動による流量計測値の変動を補正する。【解決手段】熱式流量計は、計測対象の流体中に配置された基板１００の表面に周囲温度センサ１０３とヒータ素子１０４と温度センサ１０５，１０６とが形成されたセンサチップ１と、ヒータ素子１０４の温度が周囲温度センサ１０３によって検出された流体の温度よりも一定値だけ高くなるようにヒータ素子１０４を発熱させる制御部３と、温度センサ１０６によって検出された温度と温度センサ１０５によって検出された温度との差を流体の流量の値Ｆｓに変換する流量導出部５と、ヒータ素子１０４の消費電力を測定する電力測定部４と、ヒータ素子１０４の消費電力を流体の流量の値Ｆｈに変換する流量導出部６と、流量ＦｓとＦｈの比に基づいて流量Ｆｓを補正する流量補正部７とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の流量を計測する熱式流量計に関するものである。

流体が流れる配管中にセンサチップを配置した構造の熱式流量計が従来より知られている（特許文献１参照）。このような熱式流量計では、センサチップが流体に晒されているので、流体の種類によってセンサ特性（抵抗温度係数）が変わってしまい、流量計測に誤差が発生してしまう場合がある。特に流体が水素ガスの場合には、センサ特性が変動する割合が大きいことが知られている。

特開２００７−２４８２２１号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、センサ特性の変動による流量計測値の変動を補正することができる熱式流量計および流量補正方法を提供することを目的とする。

本発明の熱式流量計は、計測対象の流体中に配置された基板の表面に周囲温度センサとヒータ素子と第１、第２の温度センサとが形成されたセンサチップと、前記ヒータ素子の温度が前記周囲温度センサによって検出された流体の温度よりも一定値だけ高くなるように前記ヒータ素子を発熱させるように構成された制御部と、前記ヒータ素子の下流側に配置された前記第１の温度センサによって検出された温度と前記ヒータ素子の上流側に配置された前記第２の温度センサによって検出された温度との差を前記流体の流量の第１の値に変換するように構成された第１の流量導出部と、前記ヒータ素子の消費電力を測定するように構成された電力測定部と、前記ヒータ素子の消費電力を前記流体の流量の第２の値に変換するように構成された第２の流量導出部と、前記第１の値と前記第２の値との比に基づいて前記第１の値を補正するように構成された流量補正部とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の熱式流量計の１構成例において、前記流量補正部は、前記第１の値をＦｓ、前記第２の値をＦｈとしたとき、前記第１の値Ｆｓに加える補正値ΔＦを、ΔＦ＝Ｆｓ×（１−Ｆｓ／Ｆｈ）／２により算出することを特徴とするものである。
また、本発明の熱式流量計の１構成例は、前記第１の値と前記第２の値との比に基づいてセンサ異常を検出したときに警報を出力するように構成された警報出力部をさらに備えることを特徴とするものである。
また、本発明の熱式流量計の１構成例において、前記警報出力部は、前記第１の値をＦｓ、前記第２の値をＦｈとしたとき、１−Ｆｓ／Ｆｈの絶対値が所定の閾値以上となったときにセンサ異常を示す警報を出力することを特徴とするものである。

また、本発明は、計測対象の流体中に配置された基板の表面に周囲温度センサとヒータ素子と第１、第２の温度センサとが形成されたセンサチップを用いる熱式流量計の流量補正方法において、前記ヒータ素子の温度が前記周囲温度センサによって検出された流体の温度よりも一定値だけ高くなるように前記ヒータ素子を発熱させる第１のステップと、前記ヒータ素子の下流側に配置された前記第１の温度センサによって検出された温度と前記ヒータ素子の上流側に配置された前記第２の温度センサによって検出された温度との差を前記流体の流量の第１の値に変換する第２のステップと、前記ヒータ素子の消費電力を測定する第３のステップと、前記ヒータ素子の消費電力を前記流体の流量の第２の値に変換する第４のステップと、前記第１の値と前記第２の値との比に基づいて前記第１の値を補正する第５のステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、第１の流量導出部と第２の流量導出部と流量補正部とを設けることにより、センサ特性の変動による流量計測値の変動を補正することができる。

また、本発明では、警報出力部を設けることにより、センサ異常と推定されるときに警報を発することができる。

図１は、本発明の実施例に係る熱式流量計の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施例に係る熱式流量計のセンサチップの概略構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の実施例に係る熱式流量計のセンサチップの断面図である。 図４は、本発明の実施例に係る熱式流量計の温度取得部と制御部の動作を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の実施例に係る熱式流量計の温度取得部と電力測定部と流量導出部と流量補正部と警報出力部の動作を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の実施例に係る熱式流量計を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例に係る熱式流量計の構成を示すブロック図である。熱式流量計は、計測対象の流体中に配置されるセンサチップ１と、センサチップ１の周囲温度センサ１０３によって検出された流体の温度Ｔｏを取得する温度取得部２ａと、センサチップ１の温度センサ１０５によって検出された温度Ｔｕを取得する温度取得部２ｂと、センサチップ１のヒータ素子１０４によって検出された温度Ｔｈを取得する温度取得部２ｃと、センサチップ１の温度センサ１０６によって検出された温度Ｔｄを取得する温度取得部２ｄと、温度差（Ｔｈ−Ｔｏ）が一定値になるようにヒータ素子１０４に電力を供給して発熱させる制御部３と、ヒータ素子１０４の消費電力を測定する電力測定部４と、温度差（Ｔｈ−Ｔｏ）を流体の流量の値Ｆｓ（第１の値）に変換する流量導出部５と、ヒータ素子１０４の消費電力を流体の流量の値Ｆｈ（第２の値）に変換する流量導出部６と、流量Ｆｓと流量Ｆｈとの比に基づいて流量Ｆｓを補正する流量補正部７と、流量Ｆｓと流量Ｆｈとの比に基づいてセンサ異常を検出したときに警報を出力する警報出力部８とを備えている。

図２はセンサチップ１の概略構成を示す斜視図、図３はセンサチップ１の断面図である。センサチップ１のシリコン基板１００は、平面視正方形のチップ状に形成され、上面中央部に多数の開口部１０７を有するダイアフラム１０１が形成されている。ダイアフラム１０１の下方は、異方性エッチングによって空間１０２が形成されており、開口部１０７を介して流体の流通を可能にしている。

シリコン基板１００の表面のダイアフラム１０１の周辺には、白金等の金属薄膜からなる周囲温度センサ１０３が周知の薄膜成形技術によって形成されている。ダイアフラム１０１の表面には、白金等の金属薄膜からなるヒータ素子１０４と、ヒータ素子１０４の上流側に配置された白金等の金属薄膜からなる温度センサ１０５と、ヒータ素子１０４の下流側に配置された白金等の金属薄膜からなる温度センサ１０６とが周知の薄膜成形技術によって形成されている。

センサチップ１は、配管（不図示）内を流れる流体中に配置されるように例えばガラス製またはセラミック製等の熱絶縁性の台座１０８によって支持されている。このような台座１０８を用いることでセンサチップ１を外部から熱的に遮断することができる。以上のセンサチップ１の構成は特許文献１に開示されている。

次に、本実施例の熱式流量計の動作について説明する。図４は、温度取得部２ａ，２ｃと制御部３の動作を説明するフローチャートである。
温度取得部２ａは流体の温度Ｔｏを取得し、温度取得部２ｃはヒータ素子１０４の温度Ｔｈを取得する（図４ステップＳ１００）。具体的には、温度取得部２ａ，２ｃは、それぞれ周囲温度センサ１０３、ヒータ素子１０４の抵抗値を検出し、抵抗値と温度との関係から、温度Ｔｏ，Ｔｈを取得する。

制御部３は、ヒータ素子１０４の温度Ｔｈから流体の温度Ｔｏを減算した温度差（Ｔｈ−Ｔｏ）が一定値（制御の目標値であり、例えば６０〜８０℃）になるように操作量を算出する（図４ステップＳ１０１）。操作量を算出する制御演算アルゴリズムとしては、例えばＰＩＤがある。そして、制御部３は、算出した操作量に応じた電力をヒータ素子１０４に供給して発熱させる（図４ステップＳ１０２）。

こうして、熱式流量計の動作が終了するまで（図４ステップＳ１０３においてＹＥＳ）、ステップＳ１００〜Ｓ１０２の処理が制御周期毎に実行され、ヒータ素子１０４の温度Ｔｈが流体の温度Ｔｏよりも一定の値だけ高くなるように制御される。

流体が静止している場合、ヒータ素子１０４で加えられた熱は、上流方向と下流方向へ対称的に拡散する。したがって、温度センサ１０５および温度センサ１０６の温度は等しくなり、温度センサ１０５および温度センサ１０６の電気抵抗は等しくなる。

一方、流体が上流から下流に流れている場合、ヒータ素子１０４で加えられた熱は、下流方向に運ばれる。したがって、温度センサ１０５の温度よりも、温度センサ１０６の温度が高くなる。温度センサ１０６によって検出される温度Ｔｄと温度センサ１０５によって検出される温度Ｔｕとの差は、流体の流速と相関関係がある。したがって、温度差（Ｔｄ−Ｔｕ）から流速を推定することができる。温度センサ１０５と温度センサ１０６の間隔は、大流量に対応する熱式流量計の場合で１００μｍ、小流量に対応する熱式流量計の場合で２００μｍである。

温度センサ１０６によって検出される温度Ｔｄと温度センサ１０５によって検出される温度Ｔｕとの差ΔＴは次式のようになる。
ΔＴ＝Ｔｄ−Ｔｕ＝ａＶ／（ｂα＋Ｖ） ・・・（１）
ａ＝Ｃ（Ｔｈ−Ｔｏ） ・・・（２）
ｂ＝（１／ＬＵ１＋１／ＬＵ２） ・・・（３）
α＝λ／ρＣｐ ・・・（４）

式（１）〜式（４）において、Ｖは流速、Ｃは放熱係数、ＬＵ１は温度センサ１０５と流体間の熱伝達率、ＬＵ２は温度センサ１０６と流体間の熱伝達率、αは熱拡散率、λは流体の熱伝導率、ρは流体の密度、Ｃｐは定圧比熱である。

図５は温度取得部２ｂ，２ｄと電力測定部４と流量導出部５，６と流量補正部７と警報出力部８の動作を説明するフローチャートである。
温度取得部２ｂは温度センサ１０５によって検出される温度Ｔｕを取得し、温度取得部２ｄは温度センサ１０６によって検出される温度Ｔｈを取得する（図５ステップＳ２００）。具体的には、温度取得部２ｂ，２ｄは、それぞれ温度センサ１０５，１０６の抵抗値を検出し、抵抗値と温度との関係から、温度Ｔｕ，Ｔｄを取得する。

流量導出部５は、温度センサ１０６と温度センサ１０５間の温度差（Ｔｄ−Ｔｕ）を、予め設定された流量変換式を用いて流量の値に変換することにより、計測対象の流体の流量Ｆｓを導出する（図４ステップＳ２０１）。温度差（Ｔｄ−Ｔｕ）を流量Ｆｓに変換するための流量変換式の代わりに、温度差（Ｔｄ−Ｔｕ）に対応する流量Ｆｓの値が登録された流量変換テーブルが設定されている場合、流量導出部５は、温度差（Ｔｄ−Ｔｕ）に対応する流量Ｆｓの値を流量変換テーブルから取得すればよい。

一方、電力測定部４は、ヒータ素子１０４の消費電力Ｐを測定する（図５ステップＳ２０２）。電力測定部４は、例えば制御部３からヒータ素子１０４に印加される電圧Ｖｈとヒータ素子１０４の抵抗値Ｒｈとに基づいて次式によりヒータ素子１０４の消費電力Ｐを算出する。
Ｑ＝Ｖｈ²／Ｒｈ ・・・（５）

こうして、ヒータ素子１０４の温度Ｔｈを流体の温度Ｔｏより一定の値だけ高くするために必要な消費電力Ｐを求めることができる。

流量導出部６は、電力測定部４によって測定された消費電力Ｐを、予め設定された流量変換式を用いて流量の値に変換することにより、計測対象の流体の流量Ｆｈを導出する（図５ステップＳ２０３）。なお、消費電力Ｐを流量Ｆｈに変換するための流量変換式の代わりに、消費電力Ｐに対応する流量Ｆｈの値が登録された流量変換テーブルが設定されている場合、流量導出部６は、消費電力Ｐに対応する流量Ｆｈの値を流量変換テーブルから取得すればよい。

流体によるセンサ特性（抵抗温度係数）は、周囲温度センサ１０３、ヒータ素子１０４、温度センサ１０５，１０６でほぼ同一と考えることができる。このとき、温度センサ１０６と温度センサ１０５間の温度差（Ｔｄ−Ｔｕ）に対する流量Ｆｓの変化の向きと、ヒータ素子１０４の消費電力Ｐに対する流量Ｆｈの変化の向きは反対となる。すなわち、温度センサ１０６と温度センサ１０５間の温度差（Ｔｄ−Ｔｕ）が大きくなると流量Ｆｓが減少するのに対し、ヒータ素子１０４の消費電力Ｐが大きくなると流量Ｆｈが増加する。流量Ｆｓと流量Ｆｈの比Ｆｓ／Ｆｈは、センサ特性が変動していなければ１である。

したがって、流量Ｆｓの補正値ΔＦを以下のように算出することができる。
ΔＦ＝Ｆｓ×（１−Ｆｓ／Ｆｈ）／２ ・・・（６）

流量補正部７は、式（６）により補正値ΔＦを算出し、式（７）により流量Ｆｓを補正する（図５ステップＳ２０４）。
Ｆｓ’＝Ｆｓ＋ΔＦ ・・・（７）

警報出力部８は、１−Ｆｓ／Ｆｈの絶対値｜１−Ｆｓ／Ｆｈ｜が所定の閾値以上となった場合（図５ステップＳ２０５においてＹＥＳ）、センサ異常を示す警報を出力する（図５ステップＳ２０６）。
警報出力の方法としては、例えば異常検出メッセージの表示、ＬＥＤの点灯、センサ異常を示す情報の上位機器への送信などがある。

温度取得部２ｂ，２ｄと電力測定部４と流量導出部５，６と流量補正部７と警報出力部８とは、熱式流量計の動作が終了するまで（図５ステップＳ２０７においてＹＥＳ）、ステップＳ２００〜Ｓ２０６の処理を一定時間毎に実行する。

こうして、本実施例では、センサ特性（抵抗温度係数）の変動による流量計測値の変動を補正することができ、補正された流量計測値Ｆｓ’を得ることができる。
また、本実施例では、センサ異常と推定されるときに警報を発することができる。

本実施例の熱式流量計のうち少なくとも制御部３と流量導出部５，６と流量補正部７と警報出力部８とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と記憶装置とインタフェースとを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図６に示す。

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、温度取得部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと制御部３の出力回路と電力測定部４と警報出力部８の出力回路などが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の流量計測方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、熱式流量計に適用することができる。

１…センサチップ、２ａ〜２ｄ…温度取得部、３…制御部、４…電力測定部、５，６…流量導出部、７…流量補正部、８…警報出力部、１００…シリコン基板、１０１…ダイアフラム、１０３…周囲温度センサ、１０４…ヒータ素子、１０５，１０６…温度センサ。

Claims (8)

1. 計測対象の流体中に配置された基板の表面に周囲温度センサとヒータ素子と第１、第２の温度センサとが形成されたセンサチップと、
   前記ヒータ素子の温度が前記周囲温度センサによって検出された流体の温度よりも一定値だけ高くなるように前記ヒータ素子を発熱させるように構成された制御部と、
   前記ヒータ素子の下流側に配置された前記第１の温度センサによって検出された温度と前記ヒータ素子の上流側に配置された前記第２の温度センサによって検出された温度との差を前記流体の流量の第１の値に変換するように構成された第１の流量導出部と、
   前記ヒータ素子の消費電力を測定するように構成された電力測定部と、
   前記ヒータ素子の消費電力を前記流体の流量の第２の値に変換するように構成された第２の流量導出部と、
   前記第１の値と前記第２の値との比に基づいて前記第１の値を補正するように構成された流量補正部とを備えることを特徴とする熱式流量計。
2. 請求項１記載の熱式流量計において、
   前記流量補正部は、前記第１の値をＦｓ、前記第２の値をＦｈとしたとき、前記第１の値Ｆｓに加える補正値ΔＦを、ΔＦ＝Ｆｓ×（１−Ｆｓ／Ｆｈ）／２により算出することを特徴とする熱式流量計。
3. 請求項１または２記載の熱式流量計において、
   前記第１の値と前記第２の値との比に基づいてセンサ異常を検出したときに警報を出力するように構成された警報出力部をさらに備えることを特徴とする熱式流量計。
4. 請求項３記載の熱式流量計において、
   前記警報出力部は、前記第１の値をＦｓ、前記第２の値をＦｈとしたとき、１−Ｆｓ／Ｆｈの絶対値が所定の閾値以上となったときにセンサ異常を示す警報を出力することを特徴とする熱式流量計。
5. 計測対象の流体中に配置された基板の表面に周囲温度センサとヒータ素子と第１、第２の温度センサとが形成されたセンサチップを用いる熱式流量計の流量補正方法において、
   前記ヒータ素子の温度が前記周囲温度センサによって検出された流体の温度よりも一定値だけ高くなるように前記ヒータ素子を発熱させる第１のステップと、
   前記ヒータ素子の下流側に配置された前記第１の温度センサによって検出された温度と前記ヒータ素子の上流側に配置された前記第２の温度センサによって検出された温度との差を前記流体の流量の第１の値に変換する第２のステップと、
   前記ヒータ素子の消費電力を測定する第３のステップと、
   前記ヒータ素子の消費電力を前記流体の流量の第２の値に変換する第４のステップと、
   前記第１の値と前記第２の値との比に基づいて前記第１の値を補正する第５のステップとを含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。
6. 請求項５記載の熱式流量計の流量補正方法において、
   前記第５のステップは、前記第１の値をＦｓ、前記第２の値をＦｈとしたとき、前記第１の値Ｆｓに加える補正値ΔＦを、ΔＦ＝Ｆｓ×（１−Ｆｓ／Ｆｈ）／２により算出するステップを含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。
7. 請求項５または６記載の熱式流量計の流量補正方法において、
   前記第１の値と前記第２の値との比に基づいてセンサ異常を検出したときに警報を出力する第６のステップをさらに含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。
8. 請求項７記載の熱式流量計の流量補正方法において、
   前記第６のステップは、前記第１の値をＦｓ、前記第２の値をＦｈとしたとき、１−Ｆｓ／Ｆｈの絶対値が所定の閾値以上となったときにセンサ異常を示す警報を出力するステップを含むことを特徴とする熱式流量計の流量補正方法。

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